成果報告書詳細
管理番号20110000000897
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 高効率ガスタービン用アドバンスド遮熱コーティングの研究開発
公開日2011/7/28
報告書年度2009 - 2010
委託先名国立大学法人北海道大学 株式会社日立製作所
プロジェクト番号P09015
部署名エネルギー対策推進部
和文要約Cool Earthエネルギー革新での天然ガス発電設備の炭酸ガス排出削減を目指し、ガスタービン(GT)の高効率化を狙う。本研究開発では、ガスタービン(GT)の高効率化を狙い、耐熱温度850度級の多結晶材用の現用TBCに替わり、耐熱温度950度級の単結晶材用の耐熱温度が100度高いアドバンスド遮熱コーティング(Advanced Thermal Barrier Coating:A-TBC)を目的にする。以下の1~4の各項目に示す開発を実施した。1)欠陥の無い均一なめっき技術の開発 。 バリヤ層の厚さが10±7ミクロンで欠陥のない均一膜(中容量GTの初段単結晶動翼想定)。2)低温成膜バリヤの開発 。低温成膜用のσ相形成の加熱処理技術の開発(目標温度:YH-61単結晶材の時効温度)。3)耐熱性試験・評価アルゴリズムの開発 。セラミック層とボンド層との境界部の熱生成酸化物(TGO)の厚さをもとにした耐熱性評価アルゴリズムの開発。アルゴリズムによる耐熱温度950度の単結晶材用TBCとして3万時間の耐熱性確保。4)強度信頼性の評価。A-TBCを設けた単結晶材の引張り、クリープ、疲労特性が単結晶基材と同等。本研究開発の結果、以下の成果が得られ、目標を達成できた。1)シミュレーションによる電流密度分布解析に基づき、電極形状、配置等のパラメータを検討した。その結果、分割アノード+補助カソード方式が有望であることが判かった。モデル翼でめっき施工を実施し、膜厚が10±7ミクロンである事を確認でき、均一めっき技術を確立した。2)コイン型試験片(直径25ミリ)上に多層バリヤ層を単結晶材の時効温度で成膜することに成功した。最適化した均一めっき技術と熱処理とを組み合わせ、モデル動翼上に多層化めっき膜を設けた後、低温成膜を実施し、多層バリヤ層の形成に成功した。3)コイン型試験片を用いてA-TBCの耐熱試験(950~1050度)を実施し、TGO厚さ測定よりラーソンミラーパラメータに必要なTGO厚さと試験温度、時間に関する基礎的データを取得した。その結果、950℃、3万時間と等価な加速試験条件として1050度、1000hを選定した。950度、3万時間と等価な加速試験条件(1050度、1000h)でのA-TBCの耐熱性評価を行った。その結果、A-TBCでは、現用TBCで認められた基材表面部でのボンド層との相互拡散による2次反応層(SRZ)全く認められなかった。EBSD(Electron backscatter diffraction:電子線後方散乱回折法)による断面結晶方位マップにおいて、現用TBCでは単結晶基材のSRZに対応する部分に、再結晶が認められた。一方、本開発のA-TBCでは、再結晶が全く認められなかった。熱サイクル(1093度と室温の繰返し)での耐久性試験の結果、A-TBCは、現用TBCに比べ3倍以上であることを確認した。4)A-TBCを構成する多層化σ相バリヤ層が引張り強度、クリープ強度、疲労強度に及ぼす影響について検討した。その結果、いずれの試験においても、バリヤ層の影響による引張強度、クリープ強度、疲労強度の低下が無い事を確認した。
英文要約Title: Feasibility study on Advanced Thermal Barrier Coating for High Efficiency Gas Turbine (FY2009-FY2010) Final Report.
Under the "cool earth" program, efforts to reduce greenhouse gas emission, such as improvements of energy efficiency are being made. In this project, to realize enhanced thermal efficiency of land base gas turbine,950 deg C class advanced thermal barrier coating (A-TBC) for single crystal alloys which will replace 850 deg C class conventional TBC is aimed to develop. In order to develop the A-TBC equipped with diffusion barrier between bond coat and single crystal alloy, following development items and goals were established. (1) Development of non-defective, uniform plating technology ; Uniform thickness of 10 plus, minus 7 microns on to first stage model bucket for middle class gas turbine. (2)Development of low temperature coating process; Coating temperature should be lower than annealing temperature of YH-61 single crystal alloy substrate.(3)Assessment of heat resistivity and develop the standard for evaluation; Determine the standard based on growth of thermal grown oxide (TGO) between top-coat and bond-coat. Targeted heat resistivity of A-TBC is 30,000hrs at 950 deg C.
(4)Assessment of mechanical properties and reliability; Tensile, creep and fatigue strength of A-TBC should be comparable to alloy substrate. Results of this project are summarized as follows. (1) To optimize plating condition such as shape and arrangement of electrode, simulation technique was employed. Simulation result revealed that separate anode and counter electrode lead to uniform current density distribution. Based on simulation results, plating experiments were carried out, and then targeted uniform thick plating layer was successfully formed on the first stage turbine model bucket. (2) Low temperature coating process at aging temperature of YH-61 single crystal alloy have established by employ multiple plating layer structure. Multiple layered barrier was successfully achieved by combine developed uniform plating technology and low temperature coating process. (3) Heat resistant tests were carried out at 950-1050 deg C, from the results relation between TGO thickness and exposure time and temperature were obtained, then master curve of Larson-Miller parameter was established. By using Larson-Miller parameter, accelerate test condition equals to 30,000hrs at 950deg C was set as 1,000 hrs at 1050 deg C. After 1,000 hrs exposure at 1050 deg C, A-TBC showed no indication of SRZ formation due to inter diffusion.. More over under the thermal cycling condition, A-TBC showed improved durability of top coat spallation. A-TBC had 3 times as longer life than that of conventional TBC. (4) Tensile, creep and fatigue tests have been made, result showed that mechanical properties of A-TBC were comparable to alloy substrate and diffusion barrier had no negative effect for mechanical properties.
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